6G愿景及潛在關鍵技術分析

魏克軍　趙洋　徐曉燕

【摘? 要】隨著全球5G進入商用部署的關鍵時期，中歐美日韓等國家相繼啟動了面向下一代移動通信（6G）的研究。但目前6G研究仍處于早期研究階段，需求尚不明確，關鍵技術也未形成業界共識。本文在深入分析當前全球6G最新進展的基礎上，探討了6G愿景需求，給出了6G關鍵性能指標，并對當前業界關注的潛在關鍵技術進行了深入分析。

【關鍵詞】6G;愿景需求;太赫茲;軌道角動量

0? ?引言

全球移動通信歷經1G到4G的發展，每一次代際躍遷都會大幅度提升數據傳輸速率，并催生無線新應用、新業務和新模式，從打電話、發短信到瀏覽網頁、在線視頻、移動支付、直播短視頻等，孕育了輝煌的消費互聯網時代。當前，全球5G商用已全面啟動，與之前幾代移動通信主要聚焦移動互聯網應用場景不同，5G尋求的不僅是數據傳輸速率的提升，而是更廣泛的應用場景，將與眾多垂直行業深度融合，提升經濟社會各行業各領域的數字化、信息化和智能化水平，構建“萬物互聯”的新時代。

5G商用將實現移動互聯到萬物互聯的拓展，從個人、家庭延伸到經濟社會各領域，種類繁多的泛在設備接入網絡，所產生的海量數據將人與人、人與物、物與物緊密連接成一體。但5G僅僅是萬物互聯的開端，與垂直行業融合應用發展需要相當長時間進行培育，隨著物聯網應用范圍的進一步深化和擴展，未來社會將步入數據驅動的時代，實現真實物理空間與虛擬網絡空間的深度融合，通過對物理空間的海量數據進行動態采集，在網絡空間進行即時分析，決策信息再實時反饋給物理空間，為實現海量數據高速、無延遲、安全可靠的分發，需要比5G更加先進的6G通信基礎設施。

1? ?全球6G最新進展

國際電信聯盟（ITU）已經初步明確了6G時間計劃。2020年2月，ITU-R WP5D工作組第34次會議在瑞士日內瓦召開，會議決定啟動面向2030年及未來新一代移動通信（6G）的研究工作。會議初步明確了《未來技術趨勢研究報告》、《未來技術愿景建議書》等報告文件的重要時間節點，其中，《未來技術趨勢報告》主要描述5G之后IMT系統的技術演進方向，該報告起草工作業已啟動，并計劃于2022年6月完成?！段磥砑夹g愿景建議書》將包含面向2030年及未來的IMT系統整體目標，如應用場景、關鍵性能指標等，計劃2021年上半年啟動，2023年6月完成。本次會議雖然明確了開展6G技術趨勢及需求愿景研究的時間，但尚未確定6G標準的時間計劃，尤其是對于6G標準的完成時間，業界還存在一定分歧。

第三代合作伙伴計劃（3GPP）預計2025年左右啟動6G標準研制。2018年6月，3GPP完成了5G第一版本國際標準（R15）的研制，重點支持增強移動寬帶和基礎的超高可靠低時延場景，目前，完整5G國際標準（R16）版本已經基本制定完成，計劃2020年6月凍結，該版本重點面向工業互聯網和車聯網等行業應用場景進行了增強，可以更好地滿足低時延高可靠類業務應用需求。5G后續將在持續提升網絡承載能力的基礎上拓展垂直行業應用，進一步增強定位、網絡架構及切片能力等。預計3GPP將于2023年啟動對6G的研究，而實質性的6G國際標準化預計將于2025年左右啟動。

全球主要國家相繼啟動6G技術的前期研究。美國聯邦通信委員會（FCC）2019年3月宣布開放面向未來6G網絡服務的太赫茲頻段（95 GHz-3 THz），用于6G技術試驗使用，美國國防高級研究計劃局（DARPA）與高校合作開展太赫茲、存儲、計算等基礎技術研究。歐盟啟動了面向2020年以后的歐洲地平線（Horizon Europe）2021-2027項目規劃，計劃投資1000億歐元，研究內容包含下一代網絡技術研究;芬蘭奧盧大學成立6G Flagship組，研究面向2030年的6G愿景、挑戰及關鍵技術，并與IEEE合作，于2019和2020年連續舉辦兩屆全球6G峰會，與全球學術界、產業界共同探討未來6G發展。日本于2019年設立“后5G信息通信系統和半導體開發項目”，用于研發后5G通信系統及先進半導體技術。2018年，日本NTT集團宣布開發出了面向B5G和6G的兩項新技術，軌道角動量和太赫茲通信。2019年12月，NTT集團旗下設備技術實驗室基于磷化銦（InP）化合物半導體材料研發了太赫茲射頻芯片，傳輸速率達到了100 Gb/s。韓國2020年1月宣布，將于2028年在全球率先實現6G商用，為此政府和企業將共同投資9 760億韓元。此外，韓國還成立了多個6G研究中心，其中，三星電子設立了“三星網絡革新中心（SNIC）”，負責5G和6G等新一代移動通信基礎技術研究;LG電子和韓國科學技術院（KAIST）共同設立了6G研究中心;韓國電子通信研究院（ETRI）與芬蘭奧盧大學簽署了諒解備忘錄，計劃共同開發6G網絡技術。中國與全球同步啟動6G研究，2019年6月工信部成立IMT-2030推進組，全面布局6G需求、技術、頻譜研究，推動國際合作發展。2019年11月，科技部成立國家6G技術研發推進工作組和總體專家組。2019年，中國科技大學、東南大學、北京郵電大學、中國通信學會、中國電子學會等國內學術界組織召開多場6G研討會，對6G愿景需求和潛在關鍵技術進行研討。

2? ?6G愿景展望

5G將開啟一個萬物互聯的全新世界，實現人與人、人與物、物與物的全面互聯，并逐漸滲透到經濟社會各行業各領域，成為經濟社會數字化轉型的關鍵基礎設施。5G在社會各行業的廣泛應用，與ICT創新技術的深度融合，將驅動整個社會逐步進入數字化、信息化和智能化時代，6G將在5G基礎上全面支撐全社會的數字化轉型，并實現萬物互聯向萬物智聯的飛躍。

6G將實現比5G更強的性能，重點滿足5G網絡難以滿足的應用場景和業務需求。隨著5G的規模商用，與行業應用廣度和深度的拓展，5G所定義的一些關鍵性能指標難以滿足某些特定應用的性能需求，比如：全息通信中，一張全息照片大小為7～8 GByte，折合56～64 Gbit，如果視頻也是同樣清晰度，考慮30幀/秒，折算速率需求為1.68～1.92 Tbps，達到Tbps量級[1]。隨著經濟社會的發展，新場景、新應用將不斷涌現，可能需要為6G增加新的性能指標。比如：當前的蜂窩移動通信網絡僅僅覆蓋了全球20%的區域，仍然有超過20億用戶無法接入網絡，未來6G將考慮更多社會因素，進一步釋放弱勢群體的價值和機會，因此，6G將打造覆蓋全球的空天地一體化網絡，網絡覆蓋率將成為6G的關鍵性能指標。此外，高精度工業控制，納米醫療機器人等應用對定位精度也提出了很高的要求，而5G性能指標中沒有給出定位精度要求，定位精度也將是6G的關鍵性能指標。

因此，與5G相比，6G將進一步提升現有關鍵性能指標，根據當前業界專家觀點，6G峰值速率將達到100 Gb/s～

1 Tb/s;用戶體驗速率將超過10 Gb/s，空口時延低至0.1 ms;連接數密度支持1000萬連接/平方公里。在現有5G指標基礎上，6G還將引入一些新增性能指標，如定位精度（室內1 cm，室外50 cm）、時延抖動+/-0.1 ns、網絡覆蓋性能等。此外，6G網絡還將具備高度智能化特點，通過與人工智能、大數據的結合，可滿足個人和行業用戶精細化、個性化的服務需求;6G網絡將有效降低成本和能耗，大幅提升網絡能效，實現可持續發展[2]。

3? ? 6G潛在使能技術分析

為滿足未來6G網絡的性能需求，需要引入新的關鍵技術，目前業界討論較多的技術方向主要包括超大規模天線、軌道角動量等高效無線接入技術，太赫茲、可見光、高效頻譜使用等新型頻譜使用技術，以及空天地一體化技術等，上述及其他潛在使能技術將極大提升網絡性能，為用戶提供更加豐富的業務和應用。

3.1? 新型頻譜使用技術

與5G相比，6G將實現10倍于5G的傳輸速率，需要更多的頻譜資源，獲得頻譜的方式主要有兩種。一是向更高頻段擴展。當前5G已經可以支持高達52.6 GHz的毫米波頻段，未來6G可能會拓展到太赫茲甚至可見光頻段，通過頻譜擴展，6G可以獲得10 GHz以上的連續頻譜資源，可有效緩解頻譜資源緊張的狀況。二是提高現有頻譜的使用效率。6G不僅需要頻譜資源更加豐富的高頻頻段，也需要覆蓋性能更好的低頻頻譜資源，目前的移動通信系統采用的都是“專用”頻譜分配模式，頻譜利用率低，可以通過動態、高效的頻譜資源管理來有效提升現有頻譜的使用效率。

（1）太赫茲通信技術。太赫茲指頻率在0.1～10 THz的電磁波，具有極為豐富的頻譜資源，目前主要應用于衛星間通信（太空中為真空狀態，不受水份吸收影響，傳輸距離較遠）。太赫茲通信不僅可以滿足6G極高數據傳輸速率頻譜需求，也可以利用太赫茲頻段波長極短的特點，在環境偵測和高精度定位方面發揮重要作用。太赫茲頻段面臨的挑戰主要來自于其頻譜傳播特性和射頻器件成熟度限制，太赫茲頻段存在嚴重的路徑損耗，300 GHz頻段在距離10 m處的路徑損耗可達100 dB，而且在大氣中傳播也會受到水蒸氣和氧氣分子吸收的影響，同時由于頻段高，繞射和衍射能力差，受周圍障礙物遮擋影響也很大。除太赫茲頻段本身傳播特性影響外，太赫茲頻段也對芯片和器件性能提出更高要求，其中功率放大器（PA）是一個重大障礙，隨著頻段的升高，PA的輸出功率和功率效率都將大幅降低，難以滿足基站和終端的實際應用需求。太赫茲頻段在未來6G中應用，需要在關鍵技術及核心器件等領域實現突破，包括面向太赫茲頻段進行信道傳播特性測量與建模，針對不同應用場景分析大氣衰減、分子吸收、氣候等對太赫茲傳播的影響，建立太赫茲通信信道模型;研發太赫茲關鍵元器件以及基于新型半導體材料的太赫茲射頻芯片，滿足高效率、低能耗和低成本需求;研究適應太赫茲通信傳輸特性的系統設計方案，包括寬帶調制解調技術、高速信道譯碼技術、超窄波束的精確對準及快速跟蹤技術等。

（2）可見光通信技術。這是指利用可見光波段的光作為信息載體進行數據通信的技術，與傳統無線通信相比，可見光通信具有超寬頻帶，并可兼具通信、照明、定位等功能，而且無電磁污染，可應用于飛機、醫院、工業控制等對電磁敏感的環境。但可見光通信目前還面臨著一系列的技術挑戰。一是有效帶寬較低，雖然可見光頻段有高達400 THz的光譜資源，但商用的LED（發光二極管）的調制帶寬僅有數十兆赫茲，直接限制了可見光通信的傳輸速率，通過采用新材料，引入藍色濾波、脈沖整形等技術可以有效提升LED帶寬，如基于InGaN的高功率藍光超發射二極管（SLD）調制帶寬可達800 MHz以上。除有效提升LED有效帶寬外，可見光關鍵技術還包括超高速率可見光通信調制編碼技術、陣列復用等高效傳輸技術、可見光通信多址接入及組網技術，此外，還需要在超高速率可見光傳輸收發芯片、器件與模塊等領域實現突破。

（3）高效頻譜使用技術。動態頻譜使用是有效提升現有頻譜利用效率的重要手段，通常包括動態頻譜接入和智能頻譜共享等方式。對于動態頻譜接入，由于大量的授權頻譜在時間和空間上均未得到充分利用，利用動態頻譜接入技術，二級用戶可以動態搜索空閑頻譜波段，暫時利用他們來進行信息傳輸。但為了獲得最佳的動態頻譜接入策略，通常需要有關網絡狀態的完整信息，但現有的動態頻譜接入協議尚無法適應更加復雜的實際模型，迫切需要具有較低運算復雜度的分布式學習算法。而動態頻譜共享可以實現不同制式網絡根據自身業務狀況，動態申請和釋放頻譜資源，從而大幅度提升整體頻譜的利用率。對于動態頻譜共享，如何完美解決不同制式間各類物理信道干擾又能提升業務信道在共享頻譜上整體頻譜利用率，需要有統籌合理的算法支撐，區塊鏈和深度學習技術是實現靈活頻譜共享的有效方法。

3.2? 高效無線接入技術

在給定的頻譜資源下實現更高的數據傳輸速率一直是每一代移動通信追求的目標，為獲得更高的頻譜效率，一方面可以通過多天線、調制編碼、雙工等傳統技術持續增強來實現，另一方面要持續探索新的物理維度和傳輸載體，以實現信息傳輸方式的革命性突破，如軌道角動量。

（1）傳統物理層技術增強。編碼調制是最基本的物理層技術，在未來6G無線通信系統中將發揮基礎作用，相比于5G，6G信道編碼需要針對更加復雜的無線通信場景和業務需求進行有針對性的優化和設計，如超高吞吐量、超高移動速度、超高頻段、超高可靠性以及面向物聯網行業應用的極簡化設計等。此外，人工智能技術在無線通信中的應用也給信道編碼研究提供了一種全新的解決方案，使其不再依賴傳統的編碼理論進行設計，通過學習、訓練、搜索就可以找到適合當前傳輸環境的最佳的調制編碼方式。多天線技術是提升頻譜效率最有效的技術手段，當前的商用大規模天線產品已經可以做到256天線單元，隨著頻段的提升，單位面積上可以集成更多天線單元，借助大規模天線，一方面可以有效提升系統頻譜效率，另一方面，分布式超大規模天線有助于打破小區的界限，真正實現以用戶為中心的網絡部署，而且利用其超高的空間分辨率還可以實現高精度定位和環境感知。超大規模天線的應用需要天線技術本身的突破，目前大型智能表面技術在大規模天線中的應用受到業界的關注，此外，新型大規模陣列天線設計理論與技術、高集成度射頻電路優化設計理論與實現方法以及高性能大規模模擬波束成形設計等技術也需要進行重點研究。新型雙工技術在6G系統中可能會得到應用，從而解除傳統FDD/TDD雙工機制對收發信機鏈路之間頻譜資源利用的限制。全雙工技術通過在收發信機之間共享頻譜資源可有效提升頻譜資源利用率，在提高吞吐量的同時有效降低傳輸時延。當前，全雙工技術需要重點解決的問題包括大功率自干擾抑制技術、多天線自干擾抑制技術、全雙工組網技術以及可調時延器、高隔離度天線、微波光子濾波器等全雙工核心器件研發。

（2）軌道角動量技術。除傳統的物理層技術增強外，我們也希望探索新的物理維度，軌道角動量就是目前業界比較關注的新物理維度。從電磁波的物理特性講，電磁波不僅具有線動量，還具有角動量，其中線動量是當前傳統電磁波無線通信的基礎，而我們希望研究利用角動量作為無線通信的新維度，軌道角動量分為量子態軌道角動量和統計態軌道角動量，量子態軌道角動量是由發端裝置旋轉自由電子激發軌道角動量微波量子，并輻射到收端，收端自由電子耦合微波量子將其轉換為具有軌道角動量的電子，通過電子分選器后，特定的軌道角動量電子被檢測并解調，提取出所攜帶的信息，量子態軌道角動量需要專門的發射和接收裝置。統計態軌道角動量是使用大量傳統平面波量子構造渦旋電磁波，利用具有不同本征值的渦旋電磁波的正交特性，通過多路渦旋電磁波的疊加實現高速數據傳輸，為移動通信提供了新的物理維度。當前，軌道角動量在無線通信中應用仍處于探索階段，研究難點主要在于軌道角動量微波量子產生與耦合設備小型化技術，射頻統計態軌道角動量傳輸技術以及如何降低傳輸環境對渦旋電磁波影響等。

3.3? 天地融合通信技術

未來的6G要進一步擴展通信覆蓋的廣度和深度，實現全球無縫覆蓋，需要衛星通信的輔助和支持，因為衛星通信可以以較低成本實現更廣覆蓋，而對于飛機等高速移動的交通工具，利用衛星通信可以得到很好的支持，而這些特點正是傳統蜂窩移動通信所欠缺的。因此，未來的6G網絡可以以傳統蜂窩網絡為基礎，與衛星通信深度融合，實現空中、陸地、海洋等自然空間的全面覆蓋。當前美國正在加快推進衛星互聯網發展，比較重要的包括星鏈計劃和銥星系統等，其中Space X公司的星鏈計劃預計將發射1.2×104顆衛星，截止2020年4月已經發射422顆，并將于6個月內進行公測。衛星互聯網發展主要得益于衛星制造成本和發射成本的大幅度降低，同時，先進的移動通信技術也為衛星互聯網成功提供了技術保證。但目前仍然面臨一些性能方面的挑戰，比如：星鏈計劃每顆衛星的峰值帶寬為20 Gb/s，但由于單顆衛星的覆蓋范圍巨大，導致單位面積容量會變得非常低，無法滿足密集城區用戶的大容量需求。此外，由于衛星與地面之間的距離遠，星鏈網絡的時延也較大，大約在20～35 ms之間，難以滿足5G超低時延業務需求。性能方面的問題使衛星互聯網無法對現有的蜂窩移動通信造成顛覆性的影響，但可以作為地面蜂窩移動通信的有效補充，為人口密度低，光纖鋪設成本高，回報價值低的偏遠地區提供網絡服務，而地面蜂窩移動通信將重點解決密集城區的大容量需求以及對時延敏感的行業應用需求。從目前來看，天地融合還面臨衛星系統與移動通信網絡的一體化設計、不同衛星通信系統間的互聯互通、頻譜資源分配與管理等問題。

4? ?結束語

繼5G規模商用之后，全球業界已經展開了對6G的研究。但目前仍然處于6G的早期探索階段，愿景需求尚不明確，關鍵技術也未形成業界共識。本文詳細介紹了國際標準化組織和主要國家的6G最新進展，探討了6G愿景需求和關鍵性能，在此基礎上，重點針對超大規模天線、調制編碼、新型雙工及軌道角動量等高效無線傳輸技術，太赫茲、可見光、高效頻譜使用等新型頻譜使用技術以及空天地一體化技術等進行了深入分析。但我們也必須看到，創新型技術能否在新一代移動通信系統中應用，除了在技術領域實現突破外，還需要考慮芯片、器件等基礎領域的影響，要滿足功耗、體積、成本等工程可行性需求。

參考文獻：

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[2]? ? ?魏克軍. 全球6G研究進展綜述[J]. 移動通信， 2020，44（3）：34-36.

[3]? ? 魏克軍，胡泊. 6G愿景需求及技術趨勢展望[J]. 電信科學， 2020（2）： 126-129.

[4]? ? 趙亞軍，郁光輝，徐漢青. 6G移動通信網絡：愿景、挑戰與關鍵技術[J]. 中國科學：信息科學， 2019（8）： 963-987.

[5]? ? 賽迪智庫無線電管理研究所. 6G概念及愿景白皮書[Z]. 2020.

[6]? ?Oulu university， Finland， 6G Flagship research program. Key Drivers and Research Challenges for 6G UbiquitousWireless Intelligence[Z]. 2019.

作者簡介

魏克軍：博士，中國信息通信研究院技術與標準研究所主任工程師，IMT-2020（5G）推進組無線技術工作組副組長，主持多項國家科技重大專項和863計劃等科研項目，主要研究方向為LTE/LTE-Advanced、5G、6G等移動通信技術，在國內外核心期刊發表論文數十篇，申請多項發明專利。

趙洋：工程師，碩士，現任職于北京市公安局東城分局，研究領域為網絡通信技術，在國內核心期刊發表多篇論文。

徐曉燕：博士，中國信息通信研究院技術與標準研究所高級工程師，曾參與多項國家科技重大專項和863計劃等科研項目，主要研究方向為5G/6G移動通信技術及ITU國際標準化。